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地热能具有资源丰富、分布广泛、可持续利用和清洁环保等优点。当前，中国正处于推动经济高质量发展和实现“双碳”阶段性目标的关键时期，面临着加强大气污染治理、应对全球气候变暖和承担温室气体减排责任的挑战。在此背景下，地热能作为洁净的可再生能源，其利用价值得以凸显[1]。研究表明，到2050年地热资源可以为全球提供3.9%的能量，并降低8.0×108 t的CO2排放[2-3]。目前，全球约有80多个国家将地热能用于供暖/制冷和工农业生产[1]。2020年，全球地热供暖和制冷装机容量为1.07×1011 W [4]，中国的装机容量最大，其次是美国、瑞典、德国、俄罗斯和法国等。全球30多个国家开展了地热发电应用。截至2022年，全球地热发电装机容量为1.46×1010 W[5]，其中，美国、印度尼西亚、菲律宾、土耳其和新西兰等国家的地热发电规模和占比较大。中国累计建成的地热发电装机容量约为5.96×107 W，然而，由于各种原因目前实际运行的不足2.0×107 W[1]。
世界地热能资源储量丰富。全球地热能基础资源总量为1.25×1027 J (折合4.27×1016 t标准煤) [6]。其中，高温 (>150 ℃) 地热资源的分布受地球构造—热背景控制，主要分布在离散板块边界和汇聚板块边界[1]，形成了大西洋中脊、红海—东非裂谷、环太平洋、地中海—喜马拉雅四大高温地热带；中低温 (25~150 ℃) 地热资源主要集中于构造活动区和沉积盆地深部，沿断裂和裂缝分布的资源较多；距地表3 000~10 000 m范围内干热岩中蕴藏的热能是全球所有石油、天然气、煤炭等蕴藏能量的30倍[7]，可利用当量接近5.0×1015 t标准煤[8]。为了促进地热能资源的开发利用，多个国家/地区设定地热发展目标。美国能源部 (DOE) 发布《2022—2026地热能开发多年期计划》，预计到2050年，美国地热发电装机容量较2019年增加26倍，装机规模达到6.0×1010 W[9]。欧洲深层地热技术与创新平台 (ETIP-DG) 发布深层地热实施路线图[10]，提出到2050年，通过研究与创新使深层地热能满足欧洲预计电力需求的50%和供热的80%。德国联邦经济和气候保护部 (BMWK) 发布题为“地热运动的基石”关键议题文件[11]，强调了开发中深层和深层地热项目战略目标，提出到2030年，德国将完成从中深层和深层资源中获得1.0×1010 kW∙h地热输出的目标。印度尼西亚能源和矿产资源部启动了2020—2029年电力供应商计划草案的制定，计划到2029年地热发电新增装机容量3.55×109 W。秘鲁新版可再生能源发展法案提出大力发展太阳能、风能和地热能，建议在秘鲁南部投资建设地热能项目[12]。
目前，地热能及地热资源成为全球能源资源开发利用的热点，其大规模开发利用成为重要发展趋势。特别是在我国明确提出“双碳”目标的背景之下，地热能展现出巨大的开发利用潜力。《地热能开发利用“十三五”规划》指出，中国浅层地热能年可开采资源量折合7.0×108 t标准煤；水热型地热能资源量折合1.25×1012 t标准煤，年可开采量折合1.9×109 t标准煤；埋深3 000~10 000 m干热岩型地热能基础资源量折合标准煤8.56×1014 t。《关于促进地热能开发利用的若干意见》和《“十四五”现代能源体系规划》等均指出，要推进地热资源的开发利用，积极推进地热供暖制冷和开展地热发电示范。把握地热能领域发展态势，明晰研究前沿热点和方向是研究地热能及地热资源开发利用的必要前提。本研究基于Web of Science (WOS) 数据库数据，开展文献计量和文本分析，利用知识图谱可视化分析工具，揭示全球地热能领域的发展态势与研究热点，以期为相关研究提供参考。
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以引文索引数据库WOS中的科学引文索引扩展版 (science citation index expanded，SCI-E，简称SCI) SCI数据库为文献数据来源。利用地热、干热岩等关键词设计检索策略进行检索，检索式为：TS =geothermal or TS=((HDR and geothermal) or "hot dry rock*" or hot-dry-rock* or "hot fractured rock*")，文献类型限定为论文和综述，检索时间范围为1980—2022年，检索时间为2023年12月24日，共检索到相关SCI论文27 822篇。利用文献计量法和文本分析法对检索到的相关文献进行数据统计、分析和内容挖掘，从发文趋势、主要国家和科研机构成果产出及影响力、研究主题与热点等层面，多角度分析地热能领域的研究概况。
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地热能领域的年度发文趋势如图1所示。该领域内SCI论文产出可追溯到1900年[13]。SCI发文数量以1990年和2010年为时间节点，可以分为3个时间段。1) 研究萌芽期 (1990年之前) ：1990年之前，该领域内研究成果较为有限，年均发文量不足100篇。2) 稳定增长期 (1991—2010年) ：1990年石油危机爆发，刺激了地热能领域的研究，年度发文量跃升至200篇以上，该时期内发文数量保持稳定增长。3) 快速增长期 (2010年至今) ：2010年至今，全球地热能领域的研究发展迅猛，研究成果产出快速增长。目前，地热能领域的研究处于较快增长阶段，随着全球碳中和目标的不断推进，初步预计未来几年该领域相关研究成果产出仍将保持增长态势。
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地热能领域SCI论文数量排名前10位的国家分别为美国、中国、德国、意大利、加拿大、法国、日本、英国、土耳其和澳大利亚 (图2) 。中国以发文数量5 242篇排名第二，仅次于美国。从TOP10国家的年度发文量变化趋势可以看出 (图3) ，各个国家在该领域的产出均呈现出不断增长态势。其中，美国是最早在地热能领域发文的国家，1990年石油危机之后，发文量出现较大幅度增长；中国在地热能领域最早的发文可以追溯至1980年，近年来发展迅猛，自2017年开始年发文量超越美国，之后年发文量一直保持全球第一，且2022年的发文量达到了美国的3倍以上。
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从地热能领域SCI发文数量排名前10位 (TOP10) 国家的论文引用情况可以看出 (表1) ，美国在该领域的h指数排名第一，篇均被引频次排名第三，表明美国在该领域的研究成果总体影响力高。中国在该领域的h指数排名第二，篇均被引频次排名最低，表明中国在该领域产出已经具有较好的影响力，但是论文质量参差不齐。此外，加拿大、英国和澳大利亚在该领域的研究成果具有较高水平。
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研究机构作为科研活动的主要场所和主体，是决定一个国家科研水平的基础要素。通过对地热能领域SCI发文数量全球排名前10位的机构进行比较分析 (表2) ，可以看出，中国科学院以发文数量991篇排名第一，是该领域全球发文数量最多的研究机构，h指数排名第五，篇均被引频次排名靠后，表明中国科学院在该领域具有较好影响力，研究成果的整体影响力还有提升空间。排名前10位的机构中有3家美国机构，均具有较高的被引频次和影响力。此外，德国亥姆霍兹联合会、法国国家科学研究中心和瑞士联邦理工学院在该领域表现出较高的影响力。
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国内主要发文机构中，中国科学院发文量和h指数遥遥领先 (表3) ，其中，以中国科学院地质与地球物理研究所表现出较好的研究基础。中国地质调查局、中国地质大学 (武汉) 、中国石油大学 (北京) 等机构在该领域具有较高的研究活跃度。
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SCI 发文研究方向分布如图4所示，可以看出该领域的研究是一个涉及多学科的交叉研究领域。主要研究方向 (WOS领域分类) 集中在地质学、能源燃料和工程学等方向，占比分别为34.39%、29.35%和18.57%。
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高被引论文可以反映出领域代表性研究方向，关键词出现频率的分析可以体现该学科态势的发展演化，为了揭示该领域近年来的研究热点与发展趋势，通过可视化分析和文本挖掘对地热能领域的论文进行分析。将地热能领域SCI文献数据导入可视化软件VOSviewer，构建关键词共现网络并进行聚类分析 (图5) 。其中，节点的不同颜色代表其属于不同聚类，可用于识别领域主要研究方向。通过关键词聚类分析，发现地热能领域的研究主题呈现5个研究聚类群集。
1) “地热成因与分布”相关主题的研究主要集中于地质构造特征与形成机制、热液演化、盆地热流、地热资源勘查、地球化学技术的应用等方面[14-19]，研究具有明显的地域性，冰岛、中国和美国加利福尼亚州等国家或区域是研究热点。其中，DUAN等[19]对兰州市地热系统的水化学特征、水化学过程和补给源进行了研究。CAO等[20]利用地球化学和同位素方法研究了西藏地区地热的热液流动演化。GUO等[21]研究证明了氯同位素组成与水化学的结合可以用于识别热液系统。此外，地热资源勘查作为地热能开发利用的基础，常用的方法包括遥感技术、地球物理技术和地球化学技术等。地热资源的精准勘查和动态评价仍是全球性难题[22]，新技术的研发和多种勘查技术的组合应用成为重要发展趋势。
2) “地热资源开采及储层改造”相关主题的研究主要集中于储层的渗透性、增强型地热系统 (EGS) 、干热岩、流体运移、诱发地震、二氧化碳协同开发地热资源等方面[23-26]，研究主要采用数值模拟方法开展。其中，EGS系统的性能、地热资源开发与诱发地震相关研究是近年来的研究热点。欧美在热储模拟、储层改造与监测等方面形成了可供借鉴的重要成果，我国地热资源的开发需要实现高温钻完井、复杂结构井、深层热储改造、井下换热和EGS等关键技术的突破[27]。此外，国内外学者针对地热资源开发诱发地震问题开展了广泛研究[28-32]，若不能有效管控EGS储层改造过程中微地震的震级，可能诱发破坏性地震，开展地震灾害风险的有效管控措施研究仍是亟需解决的关键问题。
3) “地热供暖制冷”相关主题的研究主要集中于地源热泵、地热换热器、热响应试验、岩石的导热性、能源桩、地热储能等方面。浅层地埋管地源热泵技术是使用最广泛、技术最成熟的地热能直接利用形式，中深层地源热泵供暖和水热型地热直接利用等仍需进一步提升系统经济性和可持续性[33]。此外，地热储能作为规模化跨季节储能的技术之一，是地热利用的前沿领域[1]和未来能源利用的新方向，近年来受到广泛关注。欧盟部署了“HEATSTORE”地下储热项目[34]，为6个地下储热示范项目提供5.0×107欧元资金支持。美国为“Geothermal Battery”储能项目提供1.0×107美元资金支持[35]。中国科学院承担的地热储能项目也进入了技术研发和示范工程建设阶段[36-37]。美国、瑞典、德国和丹麦等均建成了基于跨季节储热技术的区域供热系统[38]。国际可再生能源署在其《2020年创新展望：热能储存更新》中预测，到2030年，全球热能储存市场的规模可能会增加2倍，装机容量从2019年的2.34×1011 kW∙h增加到8.0×1011 kW∙h以上。
4) “地热发电”相关主题的研究集中于有机朗肯循环[39]、发电系统的性能分析与优化、地热与其他可再生能源结合系统的分析和优化设计、地热能多联产系统等方面。现有的地热发电利用以高温地热资源为主，热伏发电、超临界CO2循环发电等技术的出现为中低温地热发电提供了可能[40-41]。近年来，地热能与其他能源的联合发电及多联产系统成为研究热点[42-46]。MAHMOUDAN等[42]提出了一种与热电发电机集成的新型的地热能和太阳能驱动多联产系统，并从能量和经济学等角度对系统进行了研究和优化分析。ALIRAHMI等[43]对基于地热和太阳能的多发电系统进行了多目标优化，发现在最优工作点，系统的火用效率和总单位成本分别为30%和130 美元∙GJ−1。HEKMATSHOAR等[44]创新性提出了由多效蒸馏、有机朗肯循环和质子交换膜电解槽组成的地热驱动多联产系统，并使用多目标TOPSIS方法对系统的热经济性进行了分析优化。XING和LI[45]提出了由地热—生物质能联合驱动的制冷、供热、发电和制氢的多联产框架，并进行了能量、能效和能耗经济学 (3E) 分析。SONG等[46]提出了超临界二氧化碳工质的有机朗肯循环太阳能—地热发电系统。
5) “地热水”相关主题主要集中于地下水、地热水和废水的循环利用、细菌等微生物、关键矿产提取等方面。其中，地热提锂作为新兴的地热能研究方向受到广泛关注。2023年初，欧洲地热能委员会 (EGEC) 发表了“用于欧盟关键原材料的地热锂提案”[47]，强调发展国内锂供应链的价值。2022年11月，美国能源部先进材料和制造技术办公室宣布1.2×107美元的融资项目[48]，以研究和改进从地热卤水中安全、经济、高效的提取和精炼锂的技术。SANJUAN等[49]研究发现，地热卤水中锂的浓度与温度、流体含盐量、储层岩石类型及矿物学成分有关，认为地热卤水中白色云母和黑云母溶蚀是锂的主要来源。STRINGFELLOW等[50]对地热卤水中提取锂的技术进行了分析。德国巴登—符腾堡能源公司 (EnBW) 和卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员[51]，采用锂锰氧化物研发出一种锂离子筛，可以用于吸附地热卤水中的锂。
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1) 全球地热能领域的研究目前处于较快增长阶段，随着全球“碳中和”目标的不断推进，初步预计未来几年该领域相关研究成果产出仍将保持增长态势。
2) 地热能领域的研究主要集中在发达国家，仅中国和土耳其是发展中国家。其中，美国是最早开始地热能领域研究的国家，在该领域的研究成果总体影响较大。中国总发文量排名第二，自2016年开始年发文量一直保持全球第一，在该领域产出已经具有较好的影响力。
3) 中国科学院是地热能领域全球发文数量最多的研究机构，研究成果的整体质量和影响力在国内均位于前列，在国际上亦呈现质量和影响力同步增长的良好局面。排名前10位的机构中有3家美国机构，且均具有较高的影响力。此外，德国亥姆霍兹联合会、法国国家科学研究中心和瑞士联邦理工学院在该领域表现出较高的影响力。
4) 地热能领域的研究是一个涉及多学科的交叉研究领域。研究主要包括：“地热成因与分布”、“地热资源开采及储层改造”、“地热供暖制冷”、“地热发电”和“地热水”等相关主题。
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1) 开展多种勘查技术的综合应用，研发新技术、新设备，探索人工智能、大数据分析等技术的应用是精准识别地热资源、提升地热资源勘查能力、有效开展地热资源开发利用的重要基础。
2) 地热储能作为新的规模化储能技术是实现高效规模化跨季节储能的重要发展方向[1]。地热储能技术不仅可以充分利用风能、太阳能等无法消纳的余能，也可以将工业余热、核能余热等热量进行存储。
3) 我国已探明的地热资源以中低温地热资源为主，探索热伏发电、超临界CO2循环发电技术的应用，研究地热资源与太阳能、风能、生物质能等其他可再生能源的多能互补发电技术，成为利用中低温地热资源进行发电的重要途径，对于中低温地热资源的规模化利用具有重要意义。
基于文献计量学的地热能发展态势及热点分析
Research development and hotspots of geothermal energy based on bibliometrics
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摘要: 大力推动地热能的开发利用是有效促进能源结构清洁低碳发展、实现“双碳”目标的重要选择，准确把握地热能领域的发展态势与研究热点对于我国地热能领域研究具有重要意义。基于文献计量和文本分析法，从发文趋势、主要发文国家与影响力、国内外主要发文机构与影响力、研究热点等方面对地热能领域的发展态势进行系统分析。研究发现，全球地热能领域的研究成果目前呈现快速增长态势，地热能领域的研究主要集中在发达国家，中国科学院是地热能领域全球发文数量最多的研究机构。地热能的研究是一个涉及多学科的交叉研究领域，研究热点集中于地热能成因及分布、地热资源开采及储层改造、地热供暖制冷、地热发电和地热水等相关主题。Abstract: To promote the development and utilization of geothermal energy is an important choice to effectively advance the low-carbon energy structure and achieve the goal of "dual carbon". It is of great significance to accurately identify the development trend and research hotspots in the field of geothermal energy. Based on the bibliometric and content analysis, the paper systematically analyzes the development trend of geothermal energy from the publication trend, the publications and influences from the aspects of countries and institutions, and the research hotspots. The findings indicate that the research papers show a rapid growth trend. The research is mainly concentrated in developed countries. The Chinese Academy of Science is the institution with the largest number of publications. The study of geothermal energy is an interdisciplinary research involving multiple disciplines. The research hotspots focus on the origin and distribution of geothermal energy, geothermal resource exploitation and reservoir enhancement, geothermal heating and cooling, geothermal power generation and geothermal water.
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Key words:
- geothermal energy /
- bibliometric analysis /
- development trend /
- research hotspots
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表 1 发文量TOP10国家发文情况
Table 1. Publications of TOP10 countries
国家 发文数量/
篇总被引频次/
次篇均被引频次/
(次·篇−1)h指数 美国 5 621 209 969 37.35 173 中国 5 242 117 138 22.35 118 德国 2 304 63 015 27.35 102 意大利 2 086 56 838 27.25 95 加拿大 1 537 56 102 36.50 104 法国 1 511 47 583 31.49 94 日本 1 389 34 758 25.02 77 英国 1 386 56 843 41.01 102 土耳其 1 303 35 931 27.58 83 澳大利亚 1 155 48 482 41.98 101 
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表 2 全球发文量TOP10机构发文情况
Table 2. Publications of TOP10 institutions
机构 国家 发文
数量/
篇总被引
频次/
次篇均被
引频次/
(次·篇−1)h指数 中国科学院 中国 991 24 198 24.42 71 亥姆霍兹联合会 德国 855 24 296 28.42 70 美国能源部 美国 854 29 764 34.85 82 法国国家科学研究中心 法国 796 25 505 32.04 70 加州大学系统 美国 668 30 613 45.83 85 俄罗斯科学院 俄罗斯 598 6 092 10.19 35 意大利国家研究委员会 意大利 564 16 148 28.63 58 美国地质调查局 美国 501 29 190 58.26 79 瑞士联邦理工学院 瑞士 488 23 987 49.15 77 亥姆霍兹波茨坦地学中心 德国 447 11505 25.74 54
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表 3 全国发文量TOP10机构发文情况
Table 3. Publications of TOP10 institutions in China
机构 发文
数量/
篇总被引
频次/
次篇均被
引频次/
(次·篇−1)h指数 中国科学院 991 24 198 24.42 71 中国地质调查局 349 5 888 16.87 36 中国地质大学 (武汉) 346 7 163 20.70 43 中国石油大学 (北京) 314 6 851 21.82 42 中国科学院地质与地球物理研究所 292 6 896 23.62 40 中国地质大学 (北京) 267 5 101 19.10 34 中国地质科学院 224 3 518 15.71 28 吉林大学 215 2 930 13.63 30 中国矿业大学 (徐州) 192 3 476 18.10 30 天津大学 178 4 692 26.36 35
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